摘要：大体积混凝土温控问题在现代运河建设中不可避免，影响着大体积混凝土结构的施工质量和使用寿命。在人工智能新时代及“碳达峰与碳中和”目标的背景下，大体积混凝土温控技术的发展面临着由传统施工措施向智能控制技术转型的机遇和挑战。为解决大体积混凝土水化热引起的开裂问题，并

全文刊载于《前瞻科技》2025年第3期“现代运河工程科学与技术专刊”。

文章摘要

大体积混凝土温控问题在现代运河建设中不可避免，影响着大体积混凝土结构的施工质量和使用寿命。在人工智能新时代及“碳达峰与碳中和”目标的背景下，大体积混凝土温控技术的发展面临着由传统施工措施向智能控制技术转型的机遇和挑战。为解决大体积混凝土水化热引起的开裂问题，并促进大体积混凝土温控技术智能化，文章系统分析了大体积混凝土温控技术的发展现状，结合材料选用、施工措施和智能温控等方面的研究成果，总结了大体积混凝土温控技术面临的挑战，最后指出需加强材料选用、施工措施和智能温控技术的深度融合，并加快大体积混凝土智能监控及预测技术、互联互通技术的研发与应用等发展建议。

在水利与交通工程建设中普遍存在大体积混凝土结构，如船闸、大坝、桥墩桥台和核电站等。在大体积混凝土结构施工过程中，由于混凝土的体积大、热传导能力较差，内部胶凝材料水化产生的水化热难以通过混凝土表面扩散，导致混凝土内部温度可达80 ℃或更高。随着混凝土内部温度的升高，由内外温差引起的不均匀膨胀在混凝土表面产生的热拉应力超过抗拉强度时，会导致表面开裂。而裂缝的形成不仅会降低大体积混凝土的力学性能，还会大幅降低其耐久性。因此，如何防止大体积混凝土由水化热引起的开裂，仍是目前水工结构工程中的热点研究课题。

大体积混凝土温控技术的发展始于1931年美国俄勒冈州Owyhee大坝的水管冷却方式。1933年，美国垦务局将该方法推广应用于Hoover大坝，防止温度裂缝的产生。此后，水管冷却的方法被用于多项大体积混凝土工程。经过90余年的研究，大体积混凝土温控技术已由原来单一的水管冷却方式转变为表面保温、骨料预冷、水管冷却、智能监控、低热水泥（主要指低热硅酸盐水泥）应用、相变材料应用等多种组合的方式。这些方式可以更好地解决结构尺寸不断加大、外部环境愈加复杂、边界约束显著增强等工程发展变化带来的各种新问题。

在人工智能新时代及“碳达峰与碳中和”（简称“双碳”）目标背景下，大体积混凝土温控技术的发展也面临着由传统的施工措施向智能控制技术转型的机遇和挑战。一方面，全球对土木水利行业碳排放的新要求促使制备大体积混凝土的原材料（如普通硅酸盐水泥）向低热、低碳水泥转变，传统普通混凝土向低碳、低能耗和可持续的高质量新型混凝土方向发展。另一方面，数字技术、测量技术和人工智能的迅猛发展，不断推动大体积混凝土温控技术由传统的施工措施向智能监控、智能预测和互联互通方向转型。

现代运河船闸等工程大体积混凝土的温控技术在数字化、智能化和低碳化发展方面潜力巨大。文章首先从材料选用、施工措施和智能温控3个方面总结大体积混凝土温控技术的发展现状，进而阐述其面临的挑战，最后提出大体积混凝土智能温控技术的发展趋势。

1 发展现状

目前，大体积混凝土温度控制的方法主要有3种：一是选用低热材料，如在大体积混凝土中采用低热水泥、添加温升抑制剂和相变材料等原材料，以控制大体积混凝土的水化热和水化速率；二是在施工阶段采取骨料预冷、水管冷却等措施降低混凝土施工期水化热；三是智能温控，即在大体积混凝土设计阶段和施工阶段，利用监测设备、数值仿真等手段，对结构温度场进行实时监控、预测与控制调节。

1.1 材料选用

从材料层面进行大体积混凝土的温控，可采用以下两种方法：① 减缓混凝土水化热的放热速率，延长放热时间，降低早期放热量，从而达到温控目的，如使用矿物掺合料部分代替水泥、使用温升（水化）抑制剂、减小水泥细度和采用相变材料等；② 降低水化热放热总量，如降低普通硅酸盐水泥用量、增加骨料用量或粗骨料级配、使用低热水泥（质量分数≥40%）等。

1.1.1 低热水泥

中国于2014年自主研发出了低热硅酸盐水泥，其具有低水化热、后期强度增长率大和后期强度高等特点。低热水泥作为大体积混凝土生产的关键原材料，用其生产的低热水泥混凝土，裂缝数目、裂缝宽度和平均开裂面积均远小于中热水泥混凝土。并且，与普通硅酸盐水泥相比，低热水泥还具有更好的流变性、抗收缩、抗氯离子侵蚀能力，以及更低的能耗、碳排放等特点，有利于“双碳”目标的实现。此外，肖建庄等指出，大体积混凝土在满足强度和温控防裂要求的同时，还注重能耗和碳排放的降低，并在材料和结构层面提出了“组合混凝土”的概念。

1.1.2 温升抑制剂

温升抑制剂的使用，不仅能够减缓大体积混凝土的放热速率，还可降低混凝土内部的温度峰值。因而，若使用温升抑制剂，则可减少冷却管的布设，从而降低施工成本、提高能源利用率，并减少碳排放。根据经温升抑制剂处理后大体积混凝土的放热时间，可建立相应的绝热温升控制方程，获得所需的温度场。结合基于气象参数、温升抑制剂种类及用量的大体积混凝土温升数据集，可在未来建立定量的数值模型，并在模型中集成3D数字重构和智能温度控制系统，实现大体积混凝土施工过程中温度场的孪生和控制。

1.1.3 相变材料

对于高强大体积混凝土，上述两种方法往往并不足以减缓水化速率，抑或不足以将总水化热减少至工程要求范围内，此时可考虑采用相变材料（如聚乙二醇、石蜡等）进行大体积混凝土的温控，原理是将具有保温蓄热功能的相变材料填充于混凝土的骨料中，从而降低其导热系数并增大比热容。该方法也有利于相变材料的良好分散。相变材料不仅可减少大体积混凝土的水化放热量，提高硬化速度和早期强度，还可降低早期干燥收缩，提高混凝土的抗裂性能。

此外，也可考虑在大体积混凝土中加入膨胀剂，以提供良好的收缩补偿和早期抗裂能力；或加入适量纤维，以提高混凝土抗拉强度和裂缝控制能力。然而，由于成本问题，这些方法在实际的大体积混凝土工程中应用较少。不同温控防裂材料的性能特点见表1。由表1可知，可通过将多种温控防裂材料组合使用，如在使用低热水泥的基础上，再添加温升抑制剂或纤维等材料，形成优势互补，从而最大限度地实现大体积混凝土的温控防裂目的。

表1不同温控防裂材料的性能对比

Table 1Comparison of properties of different temperature-controlled anti-cracking materials

1.2 施工措施

施工期大体积混凝土采用温控的方法主要有4种。① 预冷，即降低水和骨料等原材料在拌合前的温度。② 后冷，即通过将冷水注入混凝土内预埋水管的方法，降低混凝土成型后的温度。③ 在气候寒冷时可采用表面保温、蒸汽养护等施工措施。④ 在无法进行人工冷却的条件下，采用分段浇筑的方式慢速施工。

1.2.1 原材料预冷

预冷方式相对简单，并且不同的预冷方式对混凝土的强度和水化速率影响极小。预冷可使用冷水或冰代替常温水，或将液氮注入水或新拌混凝土中；也可对骨料采取风冷或水冷措施降低骨料温度，从而达到降低新拌混凝土温度的目的。研究表明，预冷骨料的方式比预冷水更有效。此外，使用液氮预冷的方式更为经济，但在新拌混凝土中注入液氮会导致坍落度降低及凝结时间延长等问题。

1.2.2 冷却水管系统

工程实践表明通过冷却水管系统（Cooling water Pipe System, CPS）可有效控制施工期大体积混凝土的温度。在应用CPS时，需综合考虑冷却管的材质、尺寸及布设间距等因素，同时合理确定冷却水温度、流量、流速以及对流换热系数等影响温度场分布及演变的关键参数。通过科学的设计与精确的数值模拟，可有效降低大体积混凝土的热应力，从而抑制裂缝的产生。需要特别注意的是，如果冷却水温度过低或混凝土与冷却管间的温度梯度过高，可能会导致温度裂缝，所以必须严格控制冷却水温度。目前，虽然CPS已被广泛用于大体积混凝土的温控，但其成本较高的问题仍未得到解决。

1.2.3 保温隔热

在寒冷地区，大体积混凝土表面温度下降较快，会与其内部温度形成较大的温差，并且混凝土因水泥水化放热导致内部温度往往高于环境温度。因此，需要采用混凝土表面保温隔热的方式，降低混凝土表面的冷却速率，从而减小大体积混凝土内部和外部的温差，防止温度裂缝的产生。常采用的保温材料主要有黑色毛毯、帆布、聚乙烯（Polyethylene, PE）板、膨胀聚苯乙烯（Expanded Polystyrene, EPS）板和挤压膨胀聚苯乙烯（Extruded Expanded Polystyrene, XPS）板等。虽然保温材料通常成本较低，但必须长期放置，这会导致工期延长，增加额外成本。表2总结了原材料预冷、冷却水管系统和保温隔热等大体积混凝土温控施工措施的优缺点。

表2大体积混凝土温控施工措施的对比

Table 2Comparison of construction measures in temperature control of mass concrete

1.3 智能温控

2002年，中国水利水电科学研究院开发了国内首个“混凝土高坝施工期温度与应力控制决策支持系统”。2007年，朱伯芳院士提出“数字监控”的理念，该理念结合了仪器监控和数字监控，并利用仿真分析，在施工期即可预测运行期大体积混凝土的温度场，进而对其进行控制。2014年，张国新等提出了“九三一”的大体积混凝土温控模式，系统地将施工阶段对大体积混凝土的温控、保护措施与智能监控结合起来，实现了温控信息的实时采集、传输和自动评价，可有效预防开裂。2015年，李庆斌和石杰提出采用信息技术获取大体积混凝土的温度变化规律和分布，并通过外界控制通水换热的时间、流量和温度等因素，实现温控智能化。此外，李庆斌等还建立了大体积混凝土实时在线个性化换热智能温度控制系统，并将其应用于溪洛渡特高拱坝建设中。近年来，处于复杂服役环境中的大体积混凝土对智能温控技术提出了一些新要求。

1.3.1 基于分布式温度传感系统的温控防裂

在实际工程中，实时监测大体积混凝土结构的温度变化，并根据温度变化及时对施工措施进行调整，可有效防止温度裂缝的产生。因此，在大体积混凝土结构设计时，可借助有限元方法对大体积混凝土的温度演化进行模拟仿真分析。目前，已有不少基于微观尺度（与水化热相关的化学过程）或宏观尺度研究成果建立的模型用于大体积混凝土早期温度演化的预测，而有限元方法已被广泛用于大体积混凝土结构的热力学行为分析和开裂风险评估。随着测量技术的发展，分布式温度传感（Distributed Temperature Sensing, DTS）系统因具有灵敏度高和响应快速的优点，被广泛用于大体积混凝土温度监测，代替了中国沿用几十年的嵌入大量热电偶的传统方法，DTS温度监测结果可用于识别开裂风险区，实现温度演化的实时监测并及时调整防裂措施。例如，Li等提出的梯度混凝土和塑性抗裂网格法可实现大体积混凝土养护过程温度演化的连续监测，并控制裂缝裂纹的数量、宽度和长度。Ouyang等将DTS测量与温度预测、裂缝预测相结合，开发了新的裂缝控制框架，提高了大体积混凝土施工中温度调节和裂缝控制的效率，并可进一步融入混凝土工程的智能施工管理。

有限元仿真所使用的混凝土材料参数往往是由实验室试验提供的，但由于试验中普遍较少考虑真实环境条件和约束条件等，因而通过该方式获得的混凝土材料参数与实际大体积混凝土的真实性能参数存在偏差。鉴于此，中国自主研发了混凝土开裂全过程仿真试验机，如图1所示。该仪器可在设定养护温度历程和约束条件下，测量混凝土从浇筑到开裂全过程的温度应力及相关热力学参数。如再结合智能温控理论方法，可实现大体积混凝土温度控制的智能化。

图1温度-应力试验机

Fig. 1Temperature-stress testing machine

1.3.2 基于互联技术的智能监控

大体积混凝土裂缝产生的原因除其本身水化热的影响外，获取的混凝土内部温度信息和环境温度信息具有时效性，信息处理相对滞后及温控管理不够系统，都会导致大体积混凝土开裂。李庆斌等提出基于物联网、自动测控和云计算技术实现结构全生命周期的个性化管理与分析，利用信息技术和控制方法捕捉混凝土内部的温度分布及演化规律，通过控制通水换热的温度、流量和时间等因素达到温度应力控制的目标。张国新等开发了由感知、互联、分析决策和控制4部分组成的大体积混凝土防裂智能监控系统，该系统可实现现场温控实施情况的自动获取、准确掌握、实时评估、智能干预及决策支持，有效提高了混凝土施工的管理水平，防止裂缝的发生。李松辉等开发了一套由感知、分析、控制组成的大体积混凝土防裂智能化监控系统。该系统通过多种信息化技术，实现大体积混凝土各温控要素的实时采集和互联互通，其关键技术组成如图2所示。由此可见，基于互联技术的智能监控，实现了大体积混凝土施工过程中对影响温度场数据的深度分析与高效管理，智能监控与施工同时进行，出现温度异常可及时发现并处理，从而有效防范开裂风险。

图2大体积混凝土防裂智能监控技术架构

Fig. 2Intelligent monitoring technology architecture for anti-cracking of large volume concrete

2 面临的挑战

2.1 持续改进低热材料以降低混凝土水化热

大体积混凝土原材料的选择，直接关系到其施工期所释放的水化热、施工工艺和温控方法，以及运行期的强度、耐久性和使用寿命。使用新型原材料制备大体积混凝土，可从根本上解决其早期由温度应力引起的开裂。然而，由于大体积混凝土对强度和耐久性等方面的要求较高，目前低热水泥还存在化学稳定性不足和早期强度低的问题，并且低热水泥混凝土在复杂服役环境下的耐久性（如抗冻融性等）的研究还有待开展。

采用相变材料的方法时，相变材料在混凝土中容易出现分解、泄漏等问题，而使用外壳（如改性蒙脱石壁材）将相变材料包裹为“微胶囊”的技术，会使得混凝土强度降低。此外，相变材料的生产工序复杂、成本较高，并且用于包裹相变材料的外壳材料通常与水泥基体界面不相容，这也是导致采用相变材料时混凝土强度降低的主要原因。由此可见，相变材料在大体积混凝土温控中的应用技术还不够成熟，需进一步研究才能服务实际工程的生产。

采用矿物掺合料部分替代水泥的方法时，虽然早期可获得相对较低的水化率，但大体积混凝土内部的水化热短时间内难以扩散，内部温度的升高会导致水化反应加快，使水化热提前释放，最终无法实现温度的精准控制。此外，矿物掺合料的水化反应较难准确测量，无法定量描述其反应速率和反应量，这会影响温度的预测，亟须开展新测量方法的研究。对于大体积混凝土中控制水化热所需的抑制剂，相关研究（如用量和种类）也较为不足。探索基于抑制剂的绝热温升方程参数控制方法以实现大体积混凝土精准的智能温控，是一项十分重要的研究工作。

2.2 精确测定混凝土真实热力学参数及演变规律

大体积混凝土结构真实施工和服役环境复杂，混凝土材料性能具有显著的时变特征，整个结构的温度场和应力场分布及演化复杂。当前，工程中广泛采用有限元方法对大体积混凝土温度场和应力场开展数值仿真分析。仿真结果的准确性主要依赖所输入的热力学性能参数、环境参数等，以及所模拟的混凝土施工过程。例如，基于DTS系统的温控防裂，在很大程度上依赖热应力模拟，而热应力模拟又依赖大体积混凝土的热力学性能参数，并且大体积混凝土的真实强度和断裂参数对该系统开裂风险评估的准确性影响显著。然而，由于大体积混凝土结构多采用三级配或四级配混凝土，足尺试验成本高昂、难度较大，并且真实温湿度环境和预冷措施等难以再现。目前，大体积混凝土强度和断裂性能参数主要通过利用湿筛混凝土试件进行标准养护开展试验测定，所获得的结果很多无法准确反映大体积混凝土的真实性能及演变规律。因此，需要采用更准确的混凝土材料参数，并模拟真实环境参数和施工过程，才能获得精确的仿真结果。

2.3 有效解决特殊严酷环境下混凝土温控难题

随着现代化建设的发展，中国大型水电资源的开发向高海拔、高寒低压的西部地区转移，这些地区存在昼夜温差大（大于20 ℃）、干燥（年平均降水小于500 mm）、大风、冬季时间长（大于180 d）、太阳辐射强（年太阳总辐射热大于5）、年平均气温低（小于5 ℃）等环境条件。这对大体积混凝土结构的温控防裂技术及耐久性提出了更为严格的要求。

以往有关大体积混凝土温控方法的研究虽然在施工措施和智能温控方面取得了一定的进展，但有关低热材料的应用研究还相对较少。低热水泥已在气候温和的平原地区广泛应用，但在高寒低压地区的适用性与改进优化还有待探讨研究。原材料作为大体积混凝土温控技术的关键，需要加强对低热材料的研发，从根本上降低大体积混凝土的水化热。此外，现有的研究较少涉及对不同温控方法的综合比较分析、经济可行性评估、生命周期评价和碳排放评价，需要进一步深化有关研究，这对大体积混凝土温控技术在不同实际环境工程中的发展应用至关重要。

在高寒低压地区，周围环境复杂多变，大体积混凝土的配合比与平原地区相比变化较大，混凝土内部水化热引起的温度梯度及边界条件对混凝土的约束作用更为显著。以往研究主要集中在单一温控措施对混凝土水化热的影响方面，这些温控方法通常仅适用于特定工程和特定环境，当高寒低压环境中各种不利因素共同作用于大体积混凝土时，单一的温控措施不再适用或温控效果严重削弱。因此，需要联合应用各温控措施，如材料选用、施工措施和智能温控等，以满足复杂服役环境下大体积混凝土结构的建设需求，并保证大体积混凝土在复杂服役环境下的施工质量和使用寿命。

3 发展建议

3.1 加强材料选用、施工措施和智能温控技术的深度融合

目前，大多数施工措施类的温控方法侧重于控制大体积混凝土的温度演化，即降低其内部的温度峰值和表面的冷却速率，如安装CPS在各大体积混凝土结构中具有较好通用性，但会增大冷却水管周围的温度梯度，从而导致水管周围混凝土开裂，而且该方法还会延长工期、增加成本。智能温控系统已囊括无线测温系统和智能通水冷却系统，即施工控制与智能监控系统相融合，还应将低热材料应用于智能温控系统中，采用低热材料不但能从根本上缓解大体积混凝土水化热高的问题，还可减少冷却水管的安装，缩短施工工期、减少成本，减少冷却水管带来的开裂风险，从而保证结构的完整性。因此，利用各温控方法的技术优点，将材料选用、施工措施和智能温控技术相融合，摆脱传统、单一的温控技术，汲取经验，取长补短，实现大体积混凝土结构高效、高质量建设，从而更好地推动现代运河的建设。此外，还需建立健全大体积混凝土的综合比较分析、经济可行性评估和结构的生命周期评价体系，并将其应用于智能温控系统，保证现代运河大体积混凝土的安全性、可持续性和环保性。

3.2 加快大体积混凝土智能监控及预测、互联互通技术的研发与应用

数字化、智能化是大体积混凝土温控技术变革的方向。目前，基于DTS系统的温控防裂技术还在起步阶段，而基于互联技术的智能监控系统已逐步建成。例如，在大坝智能建设方面，以智能大坝建设与运行信息化平台（Intelligent Dam, iDam）为智能化平台，以智能温控、智能振捣和数字灌浆等成套设备为智能控制核心装置的大坝智能化建设管理系统已经建成。但信息系统的智能化建设不应局限于大坝，应建设适用性更强、应用范围更广的智能温控系统，充分利用现有的大坝智能温控系统的建设经验，结合DTS新技术，不断健全大体积混凝土结构的智能预测和监控系统。此外，对于DTS测量技术，还需要对大体积混凝土的徐变效应进行参数化研究，以提高热应力模拟和裂缝控制的准确性。因此，目前亟须整合大体积混凝土温控技术创新资源，加快智能温控技术在各大体积混凝土结构中的应用，形成新质生产力。

4 结束语

大体积混凝土温控问题在现代运河的建设中不可避免，影响着大体积混凝土的施工质量和使用寿命。在万物互联、数字孪生的新时代，大体积混凝土的温控需要结合人工智能、物联网、大数据和云计算等新一代信息技术进行变革和提升，保证施工信息的获取和施工措施的响应具有良好的实时性和有效性，从而对大体积混凝土的温度演化和应力变化进行动态监控。与此同时，大体积混凝土原材料仍停留在中、低热水泥的研究和应用上，滞后于混凝土材料在低碳化、可持续化和高性能化的发展。为适应中国乃至全球对绿色、可持续发展的新形势，必须在大体积混凝土材料层面进行科研攻关，研发新型低热、低碳、高性能的大体积混凝土材料。此外，还需要重点突破智能温控设备的研发，创新混凝土材料试验方法，提高大体积混凝土温度和应力状态演化的仿真计算效率和精度，从而推动现代运河基础设施的安全、绿色、高效和高质量建设。

来源：前瞻科技杂志